大跨度膜结构风压分布的风洞试验和数值模拟

为确定浙江工商大学体育场屋盖结构的风压分布,进行风洞试验研究,并采用数值模拟方法进行了对比分析.采用缩尺比为1:200的有机玻璃模型,在建筑串联回流式风洞中的大试验段进行了风洞试验,测得对应24个方向角的结构表面各点风压系数,采用标准k-ε,重正化群k-ε,可实现的k-ε和RSM四种湍流模型对屋面风压系数进行了数值模拟,将模拟结果与风洞试验数据进行了比较.结果表明,这种月牙形屋面的风压分布主要以吸力为主,迎风边缘及突出部位的风压系数较大,而在低凹处及尾流区域较小.数值模拟结果与风洞试验结果基本吻合,采用的四种湍流模型结果差异不明显.     

基于大涡模拟的平屋顶槽式聚光器组风压分布研究

通过大涡模拟对屋顶槽式聚光器组的风压分布规律展开研究,并将数值模拟结果和风洞试验结果进行对比,验证了大涡模拟结果的准确性.对9个平屋顶聚光器组成的镜群在0°仰角工况下的风压分布进行模拟,得到平屋顶聚光器组在不同风向角下的最不利位置及其风压系数的分布规律. 结果表明,正风向下,屋顶靠近来流风上游的一排聚光镜承受了绝大部分的风荷载,中间及后排的聚光镜风压系数为前排的8.75%;斜风向下,后排聚光镜的最大风压系数为前排聚光镜的17.6%;屋顶的角落位置为聚光器组的最不利位置,所得结论可为平屋顶槽式聚光器的群组结构抗风设计提供理论依据.     

复杂环境下大跨度倾斜平屋面的风洞试验

为了研究处于复杂环境下大跨度倾斜平屋面的平均风压及脉动风压的分布特性,对一实际工程模型进行了刚性模型测压试验．试验在模拟的大气边界层风场中进行,得到了结构在各个风向角下的风压系数分布;通过对试验数据的分析,可知随着风向角和周围建筑相对方位的改变,屋面风压的分布主要有三种类型;此时屋面的风荷载与由《建筑结构荷载规范》得到的风荷载取值是不相同的。     

大跨度斜拉桥主梁气动力特性的大涡模拟

为验证大涡模拟方法在获得桥梁主梁气动力特性上的可行性，开展了均匀流中大跨度斜拉桥扁平钢箱梁在Re=1.27×105下的绕流场三维计算流体动力学分析.大涡模拟方法采用Smagorinsky压格子湍流封闭模型，基于网格和时间步长无关检查确定的计算参数，获得了主梁气动系数统计平均值、脉动值和漩涡脱落St数随来流攻角的变化，表明三维主梁绕流漩涡脱落的频率带宽分布和展向不同步特征.基于主梁表面非定常压力时程的统计平均值和RMS值分布，分析了主梁表面的流动分离和再附特征，并建议了风洞试验测压孔的合理布置形式.与风洞实验相关结果的对比表明，大涡模拟方法是获得桥梁主梁气动力特性和绕流机理的有效方法.     

大跨屋盖风荷载风洞试验及数值模拟

以闽南某大跨体育馆屋盖表面为例,进行风洞试验和计算流体动力学(CFD)数值模拟研究.通过风洞试验,得出体育馆最不利风向角下的平均风压系数和分块风压系数.基于CFX10.0软件平台,采用剪切应力输运(SST)k-ω湍流物理模型,对屋盖上的平均风压进行数值模拟.将计算结果与风洞试验数据进行对比,结果显示两者大体上基本吻合,证明数值模拟可以较准确地模拟实际大跨屋盖表面的平均风荷载.     

超高层连体建筑风荷载干扰效应大涡模拟研究

超高层三塔连体建筑的主楼受到裙房及子楼的干扰作用显著,以某超高层三塔连体建筑为对象,基于LES(大涡模拟)方法对其进行了24个方向角下的数值风洞试验,并将主楼的体型系数与物理风洞试验结果进行了对比验证,再基于大涡模拟结果分别从平均和脉动风压特性、涡量分布以及干扰机理等方面探讨了超高层多塔连体建筑风荷载和干扰效应.结果表明:大涡模拟和风洞试验结果吻合较好;单体工况下主塔表面随机涡旋较密集、风压脉动较大、且尾流分离区域较小,当子塔处于主塔上游位置时对主塔结构抗风设计存在有利的"遮挡效应",此时来流湍流对主塔风场分布起主导作用;当子塔处于主塔下游位置时会对主塔存在不利的风压放大作用,特征湍流作用更明显.     

大跨度屋盖风荷载的大涡模拟研究

应用一种新的湍流脉动流场产生方法DSRFG(discretizing and synthesizing random flow generation)模拟风场实际的湍流边界条件.采用一种新的大涡模拟LES(Large Eddy Simulation)的亚格子模型,基于linux系统下软件平台Fluent6.3的并行计算技术,计算了长沙机场扩建航站楼屋盖结构在5个风向下的风荷载.根据对机场屋盖的平均风压和脉动风压系数分布规律的分析,给出了各风向角下屋面的表面风压分布特性和最不利风向角,为长沙机场扩建航站楼的抗风设计提供了依据.并为进一步发展此类复杂建筑结构在复杂湍流环境下的风荷载数值风洞技术提供参考.     

体育馆屋盖的风洞试验研究和数值计算

对一系列不同倾角的体育馆悬挑屋盖进行了风洞试验;模型比例为1:50,在屋盖上下表面安装128对测压管,在同步测压的基础上,我们获得每个测点的风压时程,通过对试验数据的处理,分析平均风压和脉动风压的产生机理.试验表面明,风压分布是受屋盖表面的气流流动分离所影响的.同时,对这种形式屋盖进行计算分析.     

基于大涡模拟的湍流非预混燃烧混合分数概率密度函数

混合分数概率密度函数(probability density function,PDF)反映了湍流对燃料和氧化剂混合过程的影响,在湍流非预混燃烧的理论研究和数值模拟中有非常重要的作用。该文基于大涡模拟(large eddy simulation,LES)对非预混火焰中的混合分数PDF进行了研究。利用LES预测的SandiaFlame D的速度和温度的均值和均方根分布与实验结果符合很好,瞬态温度场显示了合理的湍流火焰形态。混合分数PDF在反应区为钟形分布,在贫燃侧和富燃侧为钟形分布或单调形分布,取决于当地流场状态。对简化PDF模型的研究表明:β函数模型对钟形PDF和单调形PDF的预测效果都很好;截尾Gauss函数模型只能较好地预测钟形分布PDF;多点δ函数模型的预测能力与截尾Gauss函数模型的预测能力类似;双δ函数模型的预测结果偏差较大。     

二维方柱绕流阻塞效应的大涡模拟

在均匀流条件下对阻塞比(R)分别为4.2%、10%、16.7%、20%和25%的二维方柱绕流进行了大涡模拟(LES)研究,对比了各工况下柱体的整体气动力和表面风压分布随阻塞比的变化规律,分析了阻塞比对柱体附近区域内流场特性和瞬时涡量的影响.研究表明,当阻塞比由4.2%增大到25%,柱体的平均阻力系数、脉动升力系数和Strouhal数分别增加了27.6%、43.6%和31%.随着阻塞比的增大,侧面及背风面负风压系数的均值绝对值以及脉动值均显著增加,柱体两侧附近流场特性也有明显的变化.在大阻塞比工况中,洞壁附近会生成二次旋涡,并与柱体脱落的旋涡相互掺混.     

群体高层建筑风效应的数值模拟

基于计算流体力学软件平台FLUENT6．3,分别采用标准k-ε模型和RNGk-ε湍流模型,模拟了典型风向角下广州珠江新城利通广场作为单体建筑和处于高层建筑群中的表面风压分布和周围风环境,并与风洞试验结果进行了对比分析．研究表明：数值模拟得到的风压系数结果与风洞试验具有一致的趋势,但标准k-ε模型的结果与风洞试验相差较大,而RNGk-ε模型的结果与风洞试验较为吻合．利通前方的大尺寸低矮建筑可能减小利通各面上的风压．另一方面,利通前方的高层建筑群产生的遮挡效应使其迎风面上的风压系数减小,而利通侧风面和背风面的其他高楼引起的狭缝效应使利通上的风压增加．此外,通过流场数值模拟可对高层建筑群的风环境进行评价．     

基于改进大涡模拟模型的风荷载验证

为了获得与近地大气边界层实际脉动风场特征相一致的三维脉动风速,文章首先应用DSRFG(Discretizing and Synthesizing of Random Flow Generation)方法,模拟生成计算流体动力学中大涡模拟算法所需的模拟入口边界脉动风速时程,然后采用改进的动态一方程模型作为大涡模拟的亚格子模型,计算长宽高为1∶1∶3的高层单体矩形建筑在0度风向角下的风荷载分布及特性,并与日本TPU风洞试验进行了对比.结果表明:1当高层建筑长宽比(B/D)=1时,扭矩的能量主要来自涡旋脱落而不是入口湍流的影响;2DSRFG结合改进的动态一方程模型能够较为准确地模拟得到高层建筑表面的平均及脉动风荷载特征.此方法有望应用到实际高层建筑风荷载评估中.     

某会展中心风洞试验研究

通过对某会展中心北侧两个大跨波浪形悬挑屋盖的风洞试验研究,讨论了典型风向下屋盖的平均风压分布,同时对全风向角下屋盖平均风压、脉动风压与极值风压的分布进行了研究,并进一步探讨底部开敞对悬挑屋盖风荷载的影响。试验研究表明:屋盖整体以负压为主,除在迎风向的屋盖悬挑区域外,其他区域风压较小;屋盖局部特殊的体型可能产生"兜风效应",从而显著增大风压;而底部开敞造成的"窄管效应"会显著增大开敞区域的风荷载,同时由于底部开敞减弱了气流的堵塞作用,使屋盖上表面风吸力有所减弱,对下表面风压力影响不大;总体而言,屋盖悬挑端在迎风向的体型系数基本在-1.5至-1.8范围。     

大跨度高空弧形连廊模型风洞试验研究

介绍了杭州市民中心建筑群模型测压的风洞试验,给出了大跨高空弧形连廊表面的平均(静)风压系数、平均风压和平均风荷载体型系数值,详细讨论了风场和风向角对风压系数和体型系数的影响.结果表明:连廊迎风面处于正压区,而背风面、顶面和底面处于负压区;连廊顶面风载狭缝效应十分明显,而底面不太明显;连廊的整体体型系数大于规范对弧形建筑的规定;按规范(基于平均风压)计算的用于连廊覆面设计的风压结果比应用统计方法(基于平均风压和脉动风压)计算的结果偏小.     

不同风场下高层建筑风效应的风洞试验研究

在大气边界层风洞中模拟了C,D两类地貌的风场,对某市区办公楼进行了风洞试验,分析了不同风场下高层建筑风压分布特性、风荷载及风致响应特性.结果表明:C类风场下平均风压系数、总体弯矩系数、最大基底剪力和最大基底弯矩均大于D类风场的对应值;C类风场下办公楼风荷载大于D类风场下办公楼风荷载;C类风场下各测点风压谱峰值对应频率均小于D类风场下各测点风压谱峰值对应频率;C类风场下结构顶部峰值加速度大于D类风场下结构顶部峰值加速度.     

基于大涡模拟超大型冷却塔施工期 风荷载时域特性分析

现有冷却塔风荷载研究成果均忽略了施工期的影响,以国内在建世界最高220 m超大型冷却塔为对象,基于大涡模拟(LES)方法获得了施工期冷却塔周围流场信息和三维气动力时程,并将成塔平均风压分布结果与规范及实测曲线进行对比验证了数值模拟的有效性.在此基础上,对比分析了冷却塔施工期平均风压分布规律和流场特性,并基于不同工况下冷却塔周围速度和涡量变化提炼出施工期流场特性与作用机理,揭示了施工期冷却塔脉动风压、极值风压、升/阻力系数及测点间相关性的分布规律,最终基于非线性最小二乘法原理给出了随高度变化的极值风压拟合公式.研究结果表明,端部效应的影响使冷却塔负压极值随施工高度增加由-3.91升至-1.75后降至-2.28,升力系数随施工高度增加逐渐减小,而阻力系数呈先减小后增大的趋势,脉动风荷载的相关性随高度变化先增强后变弱.主要结论可供此类大型冷却塔施工期设计风荷载取值参考.     

建筑结构风荷载干扰效应的试验研究

在相邻建筑物的干扰下,受扰高层建筑的风荷载与其在孤立状态下相比会有较大的变化。采用测压刚性模型风洞试验研究了两个高层建筑间的风荷载干扰效应,得到了两个相同的矩形截面建筑在不同相对位置时受扰建筑各表面的风压系数变化规律。所得结果对结构的抗风设计有指导意义。     

大型三面广告牌结构风荷载特性的风洞试验

针对三面广告牌这类特殊开敞的板式高耸结构,通过刚性模型的多点同步测压试验,考察了各风向作用下面板表面净风压分布的统计特征和正负风压极值的包络分布;针对面板支撑结构的抗风设计,给出了典型不利风向角下各面板的体形系数及其简化取值;并给出了面板结构的整体风力系数随风向角的变化规律。研究从面板连接、面板支撑体系、支撑立柱这三个层面,为三面广告牌风荷载取值提供了可靠的试验数据和计算依据。     

方柱绕流的大涡模拟

采用大涡模拟(LES)方法对雷诺数为2.2×104的方柱绕流流场进行了数值模拟.使用非交错网格的有限差分法,分别对准三维物理模型和真实三维物理模型求解不可压N-S方程,将沿流向方向方柱水平中心线上的时均速度的计算结果与实验数据进行了比较,结果表明,三维模型的模拟结果优于准三维模型的模拟结果.比较升力系数和阻力系数发现,与二维模拟(RNG)方法相比, 三维模拟的结果更加接近实验测试数据.